沐浴机器人的结构设计

杨徐，朱家诚，魏俊杰，谢佳奇

（合肥工业大学机械工程学院，合肥230009）

0 引 言

随着时代的发展进步和人口老龄化社会的逐渐到来，服务机器人也逐渐应用于养老医疗行业[1]，智能服务机器人被列为2006—2020年大力发展的前沿技术[2]。根据历次的人口普查资料，从1964—2018年我国的65周岁及以上人口占比一直在上升，到2018年已经达到了11.9%；而使用家庭服务机器人照护老人，可以极大地缓解青年人的养老压力，使他们可以专心工作[3]，与此同时促进了养老服务机器人行业的发展。国外沐浴机器人技术的研究较早，从只有局部清洁功能的简单沐浴机器到功能复杂的全自动沐浴机器人，已经建立起从低端产品到高端产品的系列，但是大部分都只是实验室试制产品。尽管国内对沐浴机器人的研究起步较晚，但是与国外先进技术的差距已经越来越小。各个高校研究所和企业根据沐浴机器人的市场需求，研发出各具特色的沐浴机器人，除了普遍具备的自动淋浴功能之外，还拥有部分独特功能，如水温智能调节功能，体型智能适应功能，自动烘干功能等。沐浴作为一项重要的生活需求，国内外相关的辅助沐浴机器产品大部分功能都比较单一，而且大部分只适合中青年使用，不适合老弱人群使用。故研发一款适合老弱人群的主动式多功能辅助沐浴的机器人具有很广阔的市场前景，不仅可以缓解家庭的养老压力，而且可以大大地提升老弱人群的生活质量。

1 沐浴机器人助手的系统组成

1.1 功能需求

通过分析老弱人群的身体情况结合沐浴场景，可得出沐浴机器人助手的用户需求：沐浴功能完备，可以辅助老弱人群淋浴、洗头、搓背、按摩、擦干自身等；操作简单容易，人机交互好，有语音操作和提示等功能；智能自适应各种体型的人，沐浴程序可以容易地更改以适应特殊人群；安全性高，拥有辅助站/坐、坐姿维持、异常检测和温度保护等安全功能；符合人机工程学原理，用户体验好。

1.2 整体方案设计

沐浴机器人助手的总体方案设计采用的是模块化设计理念，如图1所示，包含主机架、头部清洁模块、背部清洁模块、姿态扶助模块、淋浴模块、烘干模块和控制系统。主机架的功能是搭载各个模块，合理地为各个模块分配空间；为检测元件和执行机构提供坐标参考。头部清洁模块的功能是代替人手进行自动洗头动作，清洁按摩人的头部和后颈部。背部清洁模块的功能是利用激光位移传感器和工业相机定位，笛卡尔坐标机械手清洁人体背部主要区域。淋浴模块利用温暖的喷淋水流对人的整个身体进行清洁，配合头部清洁模块和背部清洁模块，并对其清洁不到的区域进行补充性清洁。姿态扶助模块在用户出入浴时（坐下/站立）进行扶助，沐浴时提供支撑保护。烘干模块使用温和的干燥热风自上而下对人体进行风干。电气控制柜主要装有工控机（主站）、PLC（从站）和触摸屏，用于控制头部清洁模块、背部清洁模块和姿态扶助模块的移动控制、定位控制、各个模块执行机构动作控制、各个动作的时序控制，进而实现对整个动作流程的逻辑控制。

2 沐浴机器人主要机械结构设计

2.1 头部清洁模块的设计

头部清洁模块结构方案采用半环臂按摩清洁机械手结构。为了对头部进行全面的清洁，根据人体头部近似椭球体的形状特点，本文将头部分为两个区域，头顶部区域为近似球体的一部分，后颈部为剩下的曲面区域。头顶部采用半环臂结构清洁，后颈部采用独立总成清洁，如图2所示。

半环臂结构末端按摩清洁机械手可分为机架载体、手指部件、驱动装置、防水装置4部分。其中，机架载体由机架和相应的机械部件组成，连接中间连接臂，承载手指部件是其它部分的安装基础。手指部件仿照人手抓捏头发时的形态设计，其主要功能是对人体头部进行搓洗。驱动装置为手指部件提供动力；防水装置对末端按摩清洁机械手和人体提供防护，防止因设备漏水造成的危险。

为了增强清洁机械手的通用性，模拟人手抓捏头发，设计了三自由度的按摩机械手指结构。末端触头采用可拆卸设计，材料为食品级橡胶，轻柔舒适无刺激，可以随着伸缩旋转杆旋转和移动；单个手指为圆柱凸轮与弹簧串联设计，使得末端触头受到来自人体头部的压力时，可以自动收缩并且进行旋转，对头发进行清洗；每对手指可以联动旋转，进行抓捏的洗头动作，且极大地增强了末端按摩清洁机械手的自适应性，如图3所示。

图1 沐浴机器人结构示意图

图2 头部清洁模块示意图

中间连接臂需要维持末端执行结构贴在头部的状态，本文提出了如图4所示的结构。该种结构是用连杆机构代替中间旋转臂，使得驱动电动机可以布置在前端而不是末端执行器上，避免了结构上的“头重脚轻”。通过连杆的轨迹设计连杆机构，连杆BC上的E点连接末端清洁机构。根据国家标准相关数据资料，选取了末端清洁机构连接点E的一种轨迹上的8个离散点。l1、l2、l3、l4、l5、β、γ、θ0的几何意义如图4所示，θ0是杆AB与杆AD的初始夹角。连杆BC上E点的运动轨迹由l1、l2、l3、l4、l5、β、γ、θ0和A（0，0）决定，由于A位于坐标原点，故只有8个待定参数。经过计算求解，得到参数的全局最优解（如式（1）），求解的结构运动轨迹与原轨迹距离均方根误差为fval=0.1798，则实际的轨迹与给定的轨迹之间的误差足够小，满足使用要求。结构材料选择06Cr17Ni12Mo2，其耐腐蚀性比普通06Cr19Ni10（304不锈钢）好，且具有优良的力学性能。

图3 末端按摩清洁机械手手指部件

图4 连杆设计模型

如图5所示，整个后颈部清洁总成主要由清洁触头、主体、连接架和后座组成，清洁触头由食品级橡胶制成，轻柔舒适无刺激，可以绕轴旋转，主体与其连接轴也由橡胶制成，使得其具有小幅度的变形功能，可以极大地增强其对不同人的适应性；连接架由0Cr19Ni制成，具有良好的防水与防腐蚀性；后座也由0Cr19Ni制成，其与连接架通过轴连接，使得主体可以绕连接轴旋转，后座内的电动机通过齿轮带动主体主动小幅度（±45°）往复旋转，从而实现对人体后颈部的按摩清洗。考虑到不同人的头部尺寸差异，为此在后座上安装弹簧。

图5 后颈部清洁总成

2.2 背部清洁模块的设计

背部清洁模块的结构方案采用笛卡尔坐标结构。为了更好地对人体背部进行全面的清洁，根据人体背部的形状特点，本文将人体背部简化视为一个连续均匀的曲面。确定了背部清洁机构的工作空间：x轴100 mm，y轴400 mm，z轴600 mm。实际沐浴机器人工作时，可以采用相机拍照与激光位移传感器定位分析得出更加具体的动作范围[4]。

通过参考大量资料，分析得出背部清洁按摩力通常分为3种，按力度从小到大及作用层面依次分为表皮层按摩力、真皮层按摩力和皮下组织按摩力[5]。本文选择清洁按摩力度选择真皮层按摩力，既可以有效清洁背部，又可以起到一定的按摩作用。

背部清洁末端执行器仿人的手掌设计，具有变形的功能，自动适应人体背部曲面形状，如图6所示。其尺寸数据参考前面背部清洁工作空间和《GB/T 16252-1996 成年人手部号型》相关数据。背部清洁末端执行器直接与人体的背部皮肤接触，每个橡胶触头安装在触头安装板上，其后装有轻质弹簧，受压后向里收缩，使得整个背部清洁末端执行器能完美地贴合人体背部曲线。每个橡胶触头上布置有多个小触头，既可以轻松地清洁背部，又可以起到缓冲的作用。为了防止背部清洁力度过大，在背部清洁末端执行器内安装有压力传感器，可以实时监测背部清洁力。

图6 背部清洁末端执行器

连接手臂采用笛卡尔坐标结构机械臂带动末端执行器在空间中变换位置，将连接臂结构分为z轴方向的升降总成、y轴方向的纵移总成和x轴方向的横移总成。

横移总成采用封闭式设计，滚珠丝杆传动结构，背部清洁末端执行器与上层连接架直接连接，而中层连接架再连接滑块和上层连接架，配合防水盖板可以极大地增强防水性能，如图7所示。

图7 横移总成

纵移总成采用滚珠丝杠结构和防水式架板设计，采用铝合金材料的带台阶的短架板和长架板作为纵移总成的机架，带台阶的短架板可以保证滑轨水平面的平行度，而长架板的阶梯式设计也保证了两条滑轨竖直面的平行度；而在整个纵移总成外面设计覆盖有不锈钢板，可以极大地增强防水性能，如图8所示。

图8 纵移总成

升降总成如图9所示，图中防水盖板没有显示出。安装底板上安装布置有铝合金材料的长安装条，长安装条上装有直线导轨。中层连接架直接连接滑块和上层连接架，上层连接架则直接承载纵移总成。

2.3 姿态扶助模块的设计

姿态扶助模块如图10所示，座椅由两个座椅电动缸支撑，两个伸缩扶手分为由两个电动缸驱动，扶手前后两节相对运动改变自身长度，使得其可以更好地适应不同体型的人；当人站起时，电动缸动作使得座椅面推动人的臀部，扶手给予人上半身向上的力，可帮助人站起。

3 沐浴机器人的控制系统 层

图9 升降总成

沐浴机器人助手控制系统的设计方案如11所示，工业控制计算机与用户进行交互，将信号传送到下位机PLC，由PLC发送指令给各组件完成动作[6]。工控机即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称[7]。工控机防磁、防尘、防冲击，可靠性和稳定性很高。工控机的选择要考虑通信方式、接口、软件开发环境、CPU运算性能、I/O接口数量、尺寸、性能及成本等因素，选择研华ARK-2121L。PLC(从站)选择台达DVP-15MC11T，其与工控机通过网口通信。触摸屏选择台达DOP-W157B，分辨率为1024×768，大屏幕使得老年人可以更加轻松识别屏幕上的内容并且准确地操作沐浴机器人，触摸屏通过RS485接口与工控机进行通信。

图10 姿态扶助模块

图11 家用沐浴机器人助手控制系统总体设计方案

用户使用沐浴机器 人时，可以通过按钮或者触摸屏 操作。触摸屏可以设置沐浴机器人的参数，并实时显示沐浴机器人的工作状态，用户可以便捷地使用沐浴机器人。

4 结 论

沐浴机器人助手可以主动辅助用户进行沐浴的全过程，大大减轻了家庭的护理压力，提升了老年人的生活质量。沐浴机器人助手有针对性地设计了头部清洁、背部清洁及姿态扶助等功能结构，使得其符合广大老弱人群使用要求。这种主动式多功能沐浴机器人仍然有很大的改进空间，例如沐浴水流若使用超声波赋能则可减轻机械结构的动作力度，主动式多功能沐浴辅助机器人改变了老人沐浴需要多人看护的情况，是未来养老服务机器人领域的发展方向之一。